編者按

瑪麗蓮夢露曾告訴我們，“鑽石是女人最好的朋友”。不過，最近這位好朋友價格大跳水，1克拉培育鑽石相比高點已跌超80%，如果你想，你可以擁有更多更大的好朋友了。

1克拉的鑽戒打折後價格基本在5000元到6000元，戒託的價格甚至比裸鑽還貴。（圖片來源：封面新聞）

中國是生產培育鑽石（也就是人造鑽石）的大國，2023年生產的鑽石毛胚超過2200萬克拉，全球佔比超七成，而中國80%的產能在河南。那麼，河南老鄉“種”這麼多人工鑽石幹什麼？是想讓大家買得起嗎？

在一衆“買鑽石還值不值”的討論中，有一條評論顯得思維跨度有點大：

鑽石和半導體有什麼關係？

鑽石（也就是首飾界對大顆粒金剛石的稱呼）其實是工業界的“材料之王”，光學器件、刀具磨具、甚至太空飛行器上都有鑽石的存在！至於在半導體產業（包括你手機裏的芯片）裏，它是摩爾定律完蛋之後的未來希望。

今天我們就來給大家講講鑽石半導體。

鑽石（圖片來源：veer圖庫）

生產彩色人工鑽石，就是爲了造半導體

和以往的人工鑽石只能生產出很小的細顆粒，只能用在車刀、鑽頭或者砂紙上不同。近年來各種珠寶展會上的人工鑽石展臺，一定會有各種五顏六色的鑽石出現。這是爲什麼呢？

比如下圖中各種真正的彩色鑽石非常顛覆大家對鑽石無色純淨的印象。

中國兵器工業集團豫西集團中南鑽石有限公司生產的彩色鑽石（圖片來源：微博@兵工之聲）

那麼，原因在哪呢？因爲這些白色或者彩色的人工鑽石，都可以說是人造鑽石生產實驗的副產品，拿出來廢物利用賣給首飾界回收一部分開發投入。當然，如果需要的量大，想來他們也不介意接單專門定製生產特殊顏色的鑽石。那麼爲什麼這些單位要生產出這麼多花樣的廢料，而且看起來一個個顆粒都很大？

答案都在這張表格裏。

一切都是爲了鑽石半導體，吊打硅半導體的碳半導體材料。

硅和鑽石都是這樣的四面體晶體構型（圖片來源：veer圖庫）

同爲IV主族的元素，碳元素也有做半導體的能力。和硅晶體原子結構同爲四面體排布的鑽石，在半導體方面的理論潛力……那是被人稱爲“功率半導體的聖盃”的存在。超高的熱導率、更大的擊穿場強，更高的遷移率，以及更小的原子尺寸，一切都昭示着鑽石半導體有着非常光明的前景。

怎麼造出足夠大的鑽石？

有前景不代表沒有問題。鑽石半導體面臨的基本問題就是最基礎的材料科學問題，這可是一點點情懷，象徵都不講的硬碰硬的技術問題。一切“天然”、“稀缺”、“美好”都要給“性能”讓路。

第一個攔路虎就是要能夠得到足夠大的純淨單晶塊體用於加工。讀者可以先摳出自己電腦或者手機裏的CPU，看看芯片的大小，然後再去找出一個克拉級鑽戒，做一個尺寸的概念對比吧。所以，那些首飾級的克拉級小鑽石，做鑽石芯片可不夠。所以，鑽石半導體工業的基礎，要指望芝麻綠豆大的天然鑽那是絕無可能的，必須努力打通人工合成鑽石的科技樹。

細碎的天然鑽石，這已經是篩選出的大顆粒了（圖片來源：veer圖庫）

爆轟法

因爲天然存在的金剛石的碳四面體網絡結構是在地層深處高溫高壓的條件下形成的，那麼一開始，工業界要合成人工金剛石就在努力模擬這種高溫高壓的狀態，一開始的辦法非常簡單粗暴：BOOM！沒錯，就是利用高能炸藥爆炸瞬間形成的高溫高壓態，引起石墨裏的碳在催化劑作用下相變，得到金剛石。

BOOM！BOOM！BOOM！（圖片來源：veer圖庫）

在不斷的炸藥爆轟下，確實得到了很多人工金剛石。從用詞上大家都能看出來，尺寸太小，達不到寶石級，沒法叫鑽石。爆轟法生產的人工金剛石普遍顆粒細碎，沒有辦法被稱爲寶石，只能用於鑽頭的鑲嵌甚至用於磨料。所以，爆轟法淡出了工業鑽石科技樹的主幹。

國產鉸鏈式六面頂壓機（圖片來源：觀察者網）

高壓法

另一種方法是機械頂壓機實現高壓，再通過電加熱形成高溫，通過高溫高壓環境的催化相變使碳元素轉變爲鑽石，這也是目前生產人造鑽石的主流技術。

而且，相比天然鑽石，壓力機法人工合成鑽石的尺寸從一開始就是相當大的，約10年前進入中國市場的人工鑽石的尺寸就是0.5克拉起步，大的可以到3克拉。壓力機頂壓出來的鑽石，已經能夠很好的應用於超硬刀具等的生產環節上了。早年國外某公司生產的人工鑽石的生產成本大約是天然鑽石的60%。在我國自主研發的六面頂壓機技術的加持下，國產人造鑽石的成本做到了世界最低，產量也達到了全世界的90%以上，可以說首飾圈的“人造鑽石不好”的論調，幾乎可以肯定是衝着海量的價廉物美的國產人工鑽石來的。

高溫高壓下石墨轉變爲金剛石的機理（圖片來源：觀察者網）

CVD（化學氣相沉積）生長法

爆轟法還有一個缺點，高能炸藥裏面富含的氮元素摻雜進金剛石，使金剛石的色澤偏黃，使得在首飾市場裏都不討喜。當然鑽頭和精密加工刀具不在乎刃或尖端的金剛石到底是白的還是黃的，但是用於芯片的話，氮元素超標也是不行的。同樣的，壓力機的生產也會在鑽石裏帶進比較多的氮，並且生產出來的尺寸不利於得到大尺寸盤片，所以這對於半導體加工也是不利的。

現在的鑽石半導體科技樹轉向CVD生長法。基本的概念就是在使用壓力機生產的鑽石基片上直接沉積碳原子，“長出”一片鑽石來。CVD的原料氣是甲烷或者乙炔氣體，分解後碳原子沉積到基底上，得到金剛石材料非常純淨，可以得到完全透明，幾乎不含雜質的純淨金剛石，這就能夠滿足半導體工業生產所需的高純淨鑽石材料了，至於首飾，那更不在話下。

中國科學院寧波材料所生產的人工鑽石（圖片來源：作者拍攝）

對半導體生產友好的另一件事是，CVD生產的金剛石是從薄膜到薄片到厚片再到塊體的。可以根據生產的需要進行定製設計，那就擺脫了天然金剛石原石不規則顆粒的麻煩。至於生產出來的大小……目前，國際上不止一家實現了英寸級以上的金剛石圓片的生產。參照一下男士手錶錶盤和前面摳出來的CPU大小，1英寸圓片的大小已經夠格用來切芯片了。

這時候，就算生產出來的鑽石薄片還不能直接用於半導體生產，其實也可以用於半導體工業了——做芯片襯底材料。還記得那張表上的熱導率數據嗎？鑽石的熱導率比硅材料強十多倍，是已知最好的散熱材料，甚至遠好於你捨不得多用的高級散熱硅脂裏的銀。這樣好的導熱材料做芯片襯底，那簡直是超頻玩家的巨大福音，不管是用含銀硅脂、熱管水冷、液氮還是冒險上液態金屬，不都是想讓芯片內部的熱儘快散出去嘛。芯片本身的散熱能力大大增強，特別是抗局部過熱能力的增強，可以大幅增加芯片的容許的功率上限，不管是用於計算的CPU/GPU，還是用於AESE的T/R模組，都無疑是非常好的消息。

居然不要造純淨的鑽石？

鑽石要用於半導體，還要面臨第二個問題：摻雜。

如果硅要用於半導體，需要進行摻雜，得到P型和N型材料。同是IV族元素的碳晶體怎麼可能例外？鑽石半導體的P型摻雜和N型摻雜一樣是必須的。目前來說，P型摻雜已經有幾種相對成熟的工藝，實現在鑽石中注入或者摻入硼元素，得到P型半導體芯片材料。但是，目前的攔路虎是摻雜得到N型半導體材料，解決了N型摻雜的問題，那就是鑽石半導體的科技樹打通的時刻了。

說到摻雜，那自然少不了各種實驗，從不同的理論上，研究人員嘗試的N型摻雜的方式主要有如下幾類：氮摻雜、磷摻雜、鋰或鈉摻雜、氧或硫摻雜及其他元素摻雜（如鉀、鎂、鈹、砷等元素），當然更少不了共摻雜。再加上如何摻雜的實現手段，比如CVD時加入，還是再注入，還是來自基底的擴散？。這一串方案光看都會覺得暈，更別提可憐的實驗狗了……

不過聰明的讀者肯定想到了，不同的生產、摻雜和處理過程肯定能影響到鑽石整體的色澤呈現，那麼海量的失敗實驗中，如果不執着於得到N型半導體材料的話，自然可以優選出一些呈色穩定好看的方案用於生產珠寶級鑽石。這就是爲什麼奇奇怪怪的國內人工鑽石公司手裏有很多天然罕見的彩色鑽石的原因了，而且顆粒大，無瑕疵，淨度高，色彩均勻，最重要的是價格便宜。